JP2014154358A - ２次電池型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】充電効率の向上を図ることができる２次電池型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】２次電池型燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材１と、酸化剤ガスと前記燃料ガスとを用いて発電を行う発電機能及び前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを循環させるためのガス流路と、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極で発生する酸素を前記発電・電気分解部から排出するための送風機１３と、前記送風機の送風量を制御する送風機制御部と、を備える。電気分解が行われているときに、前記送風機制御部が、前記陽極付近の酸素の分圧比に依存する物理量に基づいて、前記陽極付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく前記送風機の送風量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電動作だけでなく充電動作も行える２次電池型燃料電池システムに関する。

燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜（例えば特許文献１参照）等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

特許第３１１３３４０号公報 特開２００８−９４６４５号公報 特表平１１−５０１４４８号公報 国際公開第２０１２／０７０４８７号 特開２００３−４５４６６号公報

特許文献２〜４には、燃料電池へ燃料ガスとして供給される水素を、鉄（水素発生部材）と水または水蒸気との化学反応により発生させる方法が開示されている。さらに、特許文献３および特許文献４には、固体酸化物型燃料電池と、酸化反応により水素を発生し、還元反応により再生可能な鉄（水素発生部材）とを組み合わせた２次電池型燃料電池システムが開示されている。

上記２次電池型燃料電池システムでは、システムの発電動作時に燃料電池において下記の（１）式に示す発電反応が起こり、鉄（水素発生部材）において下記の（２）式に示す酸化反応が起こる。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（１）
３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂ …（２）

また、上記２次電池型燃料電池システムでは、システムの充電動作時に燃料電池において下記の（３）式に示す水の電気分解反応が起こり、酸化鉄（酸化された水素発生部材）において下記の（４）式に示す還元反応が起こる。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ …（３）
Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（４）

ここで、燃料電池の開回路電圧Ｅは、下記のネルンストの式で表される。

Ｅ0は標準起電力であり、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、Ｐ_H2は水素の分圧、Ｐ_H2Оは水蒸気の分圧、ＰО₂は酸素の分圧であり、ΔＧ0は燃料電池の発電反応（Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）における標準ギブス自由エネルギーであり、温度が決まれば一意に定まる値である。

システムの発電動作時には、燃料電池の開回路電圧Ｅから損失により生じる過電圧を引いた電圧が、燃料電池の端子電圧となる。

一方、システムの充電動作時には、燃料電池の開回路電圧Ｅに損失により生じる過電圧を加えた電圧が、燃料電池の端子電圧となる。

また、システムの充電動作時には、上記の（３）式に示す水の電気分解反応により燃料電池の酸化剤極側で酸素が発生する。このため、酸化剤極側で発生した酸素の排出が十分でなければ、酸化剤極側の酸素分圧比が高まるため、上述したネルンストの式に応じて燃料電池の開回路電圧Ｅが上昇する。したがって、より高い端子電圧を燃料電池の燃料極−酸化剤極間に供給することが必要となり、充電効率が下がるという課題が生じる。

そこで、システムの充電動作時に酸化剤極側で発生する酸素を排出するための送風機を上記２次電池型燃料電池システムに設け、充電効率の低下を防止することが望ましい。

しかしながら、送風機の駆動にはエネルギーが必要であるため、上記送風機の送風量を大きくしすぎると、却って充電効率が下がるおそれがある。

なお、特許文献５では、燃料電池の開回路電圧を測定し、発電異常やガス漏れを検知していることは開示されているが、特許文献１〜４と同様に酸素を排出するための送風機を設けることは開示されていない。

本発明は、上記の状況に鑑み、充電効率の向上を図ることができる２次電池型燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る２次電池型燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを循環させるためのガス流路と、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極で発生する酸素を前記発電・電気分解部から排出するための送風機と、前記送風機の送風量を制御する送風機制御部と、を備え、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに、前記送風機制御部が、前記陽極付近の酸素の分圧比に依存する物理量に基づいて、前記陽極付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく前記送風機の送風量を制御する構成とする。

なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電動作と、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解動作とを切り替える燃料電池を備え、当該燃料電池の酸化剤極が前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極となる構成であってもよく、また、例えば、前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解器とを別個に備え、当該電気分解器の陽極が前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極となる構成であってもよい。

前記送風機制御部は、例えば、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電流の値を検出する電流検出回路を有し、前記電流検出回路によって検出された電流の値に基づいて前記送風機の送風量を制御する構成とすればよい。

また、前記送風機制御部は、例えば、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電流の値を検出する電流検出回路と、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に印加される電圧の値を検出する電圧検出回路と、を有し、前記電圧検出回路によって検出された電圧の値を前記電流検出回路によって検出された電流の値で除した値に基づいて前記送風機の送風量を制御する構成にしてもよい。

また、前記送風機制御部は、例えば、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極付近の酸素濃度を検出する酸素濃度計を有し、前記酸素濃度計によって検出された酸素濃度に基づいて前記送風機の送風量を制御する構成にしてもよい。

本発明に係る２次電池型燃料電池システムによると、発電・電気分解部が電気分解を行っているときに、発電・電気分解部の陽極付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく送風機の送風量が制御されるので、発電・電気分解部の陽極付近の酸素の分圧比が高くなって充電効率が下がること及び送風機の駆動エネルギーが大きくなって充電効率が下がることを防止することができる。したがって、充電効率の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す図である。 電流検出回路の構成例を示す回路図である。 第１実施形態に係る送風量制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す図である。 電流検出回路および電圧検出回路の構成例を示す回路図である。 第２実施形態に係る送風量制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第３実施形態に係る送風量制御動作を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、燃料発生部材１と、燃料電池部２と、燃料発生部材１を加熱するヒーター３と、燃料電池部２を加熱するヒーター４と、燃料発生部材１及びヒーター３を収容する容器５と、燃料電池部２及びヒーター４を収容する容器６と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを循環させるための配管７と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを強制的に循環させるポンプ８と、断熱容器９と、燃料電池部２の空気極２Ｃに空気を供給するための配管１０と、燃料電池部２の空気極２Ｃから空気を排出するための配管１１と、システム全体を制御するシステムコントローラ１２と、燃料電池部２が電気分解を行っているときに燃料電池部２の空気極（陽極）２Ｃで発生する酸素を燃料電池部２の空気極２Ｃから排出するための送風機１３と、電流検出回路１４と、を備えている。断熱容器９は、容器５及び６と、配管７、１０、及び１１それぞれの一部とを収容している。

なお、図が煩雑になることを防ぐため、電力を伝送する電力ラインや制御信号を伝送する制御ラインなどの図示を一部省略している。また、必要に応じて、燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度センサ等を設けてもよい。

送風機１３としては、例えば、コンプレッサ、ファン、ブロアなどを挙げることができる。送風機１３にファンを用いた場合は、一定流の空気を燃料電池部２の空気極２Ｃに供給することができ、送風機１３にダイヤフラム式の送風機を用いた場合は、ダイヤフラムを高速で駆動させることでほぼ一定流の空気を燃料電池部２の空気極２Ｃに供給することができる。なお、本実施形態では送風機１３を配管１０上に配置しているが、配管１１上に配置してもよい。また、本実施形態では、送風機１３は、燃料電池部２が電気分解を行っているときにも駆動し、燃料電池部２の空気極２Ｃに空気を強制的に送る。

燃料発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料ガス（例えば水素）を発生し、還元性ガス（例えば水素）との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。

Ｆｅを主体とする燃料発生部材は、例えば、上述した（２）式に示す酸化反応により、酸化性ガスである水蒸気を消費して燃料ガス（還元性ガス）である水素を生成することができる。

上記の（２）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（２）式の逆反応すなわち上述した（４）式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができる。なお、上記の（２）式に示す鉄の酸化反応及び上記の（４）式の還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。

燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、微粒子をペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であってもよく、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよい。

燃料電池部２は、図１に示す通り、電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極である空気極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

電解質膜２Ａの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜２Ａとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いる。

電解質膜２Ａは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。

燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば、電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、空気極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。

以下の説明では、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電時に燃料電池部２はシステムコントローラ１２の制御によって外部負荷（不図示）に電気的に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（５）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（５）

上記の（５）式の反応によって生成された電子は、外部負荷（不図示）を通って、空気極２Ｃに到達し、空気極２Ｃにおいて下記の（６）式の反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（６）

そして、上記の（６）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（５）式から分かるように、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

上記の（３）式及び（４）式より、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は上述した（１）式の通りになる。

一方、燃料発生部材１は、上記の（２）式に示す酸化反応により、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。

上記の（２）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（４）式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができ、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムを充電することができる。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電時に燃料電池部２はシステムコントローラ１２の制御によって電流検出回路１４を介して外部電源１００に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電時に、上記の（１）式の逆反応である上述した（３）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（４）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。

ここで、電流検出回路１４の構成例を図２Ａに示し、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作時において実施されるシステムコントローラ１２および電流検出回路１４による送風機１３の送風量制御動作を図２Ｂに示す。なお、図２Ａにおいて、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路は燃料電池部２の等価回路の一例である。

電流検出回路１４は、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）を流れる電流を検出する抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ３〜Ｒ６及びオペアンプＡ１からなる差動増幅器とによって構成される。抵抗Ｒ２は、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）に直列接続される。抵抗Ｒ２の一端は抵抗Ｒ５を介してオペアンプＡ１の非反転入力端子に接続される。抵抗Ｒ２の他端は抵抗Ｒ３を介してオペアンプＡ１の反転入力端子に接続される。オペアンプＡ１の反転入力端子は抵抗Ｒ４を介してオペアンプＡ１の出力端子に接続される。オペアンプＡ１の非反転入力端子は抵抗Ｒ６を介してグランド電位に接続される。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５の抵抗値が同一であり、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ６の抵抗値が同一である場合、差動増幅器の増幅率は、抵抗Ｒ６の抵抗値を抵抗Ｒ５の抵抗値で除した値となる。燃料電池部２を流れる電流に比例する抵抗Ｒ２の両端電圧が差動増幅器によって増幅されてシステムコントローラ１２のＡポートに供給される。

次に、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作時において実施される送風機１３の送風量制御動作について図２Ｂを参照して説明する。

システムコントローラ１２の制御によって本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作が開始されると、外部電源１００と燃料電池部２とが電流検出回路１４を介して電気的に接続されるので、外部電源１００から燃料電池部２への電圧印加が開始される（ステップＳ１）。

ステップＳ１に続くステップＳ２において、システムコントローラ１２は、電流検出回路１４からＡポートに供給される信号を読み取り、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値を検知する。

ステップＳ２に続くステップＳ３において、システムコントローラ１２は、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第１の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ３で用いる第１の所定値の設定値はシステムコントローラ１２の内蔵メモリに格納すればよい。

外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第１の所定値より大きければ、システムコントローラ１２は、ステップＳ４に進んで、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第２の所定値より小さいか否かを確認する。なお、ステップＳ４で用いる第２の所定値の設定値はシステムコントローラ１２の内蔵メモリに格納すればよい。第２の所定値は第１の所定値より大きい値である。

一方、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第１の所定値より大きくなければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が大きくなり所定の範囲を超えていると推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を所定量増加させ（ステップＳ５）、その後ステップＳ２に戻る。

ステップＳ４における確認の結果、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第２の所定値より小さければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まっていると推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を変化させずにステップＳ２に戻る。

一方、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第２の所定値より小さくなければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が小さくなり所定の範囲に達していないと推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を所定量減少させ（ステップＳ６）、その後ステップＳ２に戻る。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作が行われている期間中、上述した図２Ｂに示す送風機１３の送風量制御動作が実施される。なお、システムコントローラ１２は、例えば、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の総量や燃料発生部材１の重量変化等から燃料発生部材１の酸化状態を検出し、その検出結果に基づいて充電動作の停止タイミングを決定することができる。この場合、充電動作の停止タイミングで割り込み処理を行い、図２Ｂに示す制御動作を終了するようにすればよい。

図２Ｂに示す送風機１３の送風量制御動作によると、燃料電池部２が電気分解を行っているときに、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく送風機１３の送風量が制御される。これにより、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が高くなって充電効率が下がること及び送風機１３の駆動エネルギーが大きくなって充電効率が下がることを防止することができる。したがって、充電効率の向上を図ることができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図３に示す。なお、図３において図１と同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムに電圧検出回路１５を追加した構成である。

ここで、電流検出回路１４および電圧検出回路１５の構成例を図４Ａに示し、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作時において実施されるシステムコントローラ１２、電流検出回路１４、および電圧検出回路１５による送風機１３の送風量制御動作を図４Ｂに示す。なお、図４Ａにおいて図２Ａと同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

電圧検出回路１５は、非反転入力端子が直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側の端部に接続され、反転入力端子及び出力端子がともにシステムコントローラ１２のＢポートに接続されるオペアンプＡ２からなるボルテージフォロア回路である。電圧検出回路１５は、インピーダンス変換を行うことで、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側の電圧の値を検出し、検出結果をシステムコントローラ１２のＢポートに出力する。

次に、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作時において実施される送風機１３の送風量制御動作について図４Ｂを参照して説明する。

システムコントローラ１２の制御によって本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作が開始されると、外部電源１００と燃料電池部２とが電流検出回路１４および電圧検出回路１５を介して電気的に接続されるので、外部電源１００から燃料電池部２への電圧印加が開始される（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１に続くステップＳ１２において、システムコントローラ１２は、電流検出回路１４からＡポートに供給される信号を読み取り、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値を検知するとともに、電圧検出回路１５からＢポートに供給される信号を読み取り、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間に印加される電圧の値を検知する。

ステップＳ１２に続くステップＳ１３において、システムコントローラ１２は、外部電源１００から燃料電池部２に印加される電圧の値を外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値で除した値（以下、インピーダンス値と称す）が第３の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ１３で用いる第３の所定値の設定値はシステムコントローラ１２の内蔵メモリに格納すればよい。

インピーダンス値が第３の所定値より小さければ、システムコントローラ１２は、ステップＳ１４に進んで、インピーダンス値が第４の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ１４で用いる第４の所定値の設定値はシステムコントローラ１２の内蔵メモリに格納すればよい。第４の所定値は第３の所定値より小さい値である。

一方、インピーダンス値が第３の所定値より小さくなければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が大きくなり所定の範囲を超えていると推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を所定量増加させ（ステップＳ１５）、その後ステップＳ１２に戻る。

ステップＳ１４における確認の結果、インピーダンス値が第４の所定値より大きければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まっていると推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を変化させずにステップＳ１２に戻る。

一方、インピーダンス値が第４の所定値より大きくなければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が小さくなり所定の範囲に達していないと推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を所定量減少させ（ステップＳ１６）、その後ステップＳ１２に戻る。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作が行われている期間中、上述した図４Ｂに示す送風機１３の送風量制御動作が実施される。なお、システムコントローラ１２は、例えば、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の総量や燃料発生部材１の重量変化等から燃料発生部材１の酸化状態を検出し、その検出結果に基づいて充電動作の停止タイミングを決定することができる。この場合、充電動作の停止タイミングで割り込み処理を行い、図４Ｂに示す制御動作を終了するようにすればよい。

図４Ｂに示す送風機１３の送風量制御動作によると、燃料電池部２が電気分解を行っているときに、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく送風機１３の送風量が制御される。これにより、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が高くなって充電効率が下がること及び送風機１３の駆動エネルギーが大きくなって充電効率が下がることを防止することができる。したがって、充電効率の向上を図ることができる。

また、第１実施形態では、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間に印加される電圧が常に一定であるという仮定の下に、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく送風機１３の送風量が制御されている。したがって、第１実施形態では、上記の仮定が崩れた場合、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第１の所定値より大きく第２の所定値より小さくなっていても、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲外になるおそれがある。

これに対して、本実施形態では、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間に印加される電圧が一定でない場合でも、インピーダンス値を第３の所定値より小さく第４の所定値より大きくすることで、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比を所定の範囲内に収めることができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図５に示す。なお、図５において図１と同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムから電流検出回路１４を取り除き、酸素濃度計１６を追加した構成である。

酸素濃度計１６は、空気極２Ｃ付近に配置され、空気極２Ｃ付近の酸素濃度を検出する。酸素濃度計１６は、いずれの方式のものでもよいが、耐熱性が高いジルコニア式酸素濃度計が好ましい。

次に、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作時において実施される送風機１３の送風量制御動作について図６を参照して説明する。

システムコントローラ１２の制御によって本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作が開始されると、外部電源１００と燃料電池部２とが電気的に接続されるので、外部電源１００から燃料電池部２への電圧印加が開始される（ステップＳ２１）。

ステップＳ２１に続くステップＳ２２において、システムコントローラ１２は、酸素濃度計１６の出力信号を読み取り、空気極２Ｃ付近の酸素濃度を検知する。

ステップＳ２２に続くステップＳ２３において、システムコントローラ１２は、空気極２Ｃ付近の酸素濃度が第５の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ２３で用いる第５の所定値の設定値はシステムコントローラ１２の内蔵メモリに格納すればよい。

空気極２Ｃ付近の酸素濃度が第５の所定値より小さければ、システムコントローラ１２は、ステップＳ２４に進んで、空気極２Ｃ付近の酸素濃度が第６の所定値より大きいか否かを確認する。なお、ステップＳ２４で用いる第６の所定値の設定値はシステムコントローラ１２の内蔵メモリに格納すればよい。第６の所定値は第５の所定値より小さい値である。

一方、空気極２Ｃ付近の酸素濃度が第５の所定値より小さくなければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が大きくなり所定の範囲を超えていると推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を所定量増加させ（ステップＳ２５）、その後ステップＳ２２に戻る。

ステップＳ２４における確認の結果、空気極２Ｃ付近の酸素濃度が第６の所定値より大きければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まっていると推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を変化させずにステップＳ２２に戻る。

一方、空気極２Ｃ付近の酸素濃度が第６の所定値より大きくなければ、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比が小さくなり所定の範囲に達していないと推定できるので、システムコントローラ１２は、送風機１３の送風量を所定量減少させ（ステップＳ２６）、その後ステップＳ２２に戻る。

本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作が行われている期間中、上述した図６に示す送風機１３の送風量制御動作が実施される。なお、システムコントローラ１２は、例えば、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の総量や燃料発生部材１の重量変化等から燃料発生部材１の酸化状態を検出し、その検出結果に基づいて充電動作の停止タイミングを決定することができる。この場合、充電動作の停止タイミングで割り込み処理を行い、図６に示す制御動作を終了するようにすればよい。

図６に示す送風機１３の送風量制御動作によると、燃料電池部２が電気分解を行っているときに、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく送風機１３の送風量が制御される。これにより、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が高くなって充電効率が下がること及び送風機１３の駆動エネルギーが大きくなって充電効率が下がることを防止することができる。したがって、充電効率の向上を図ることができる。

また、第１実施形態では、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間に印加される電圧が常に一定であるという仮定の下に、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく送風機１３の送風量が制御されている。したがって、第１実施形態では、上記の仮定が崩れた場合、外部電源１００から燃料電池部２に供給される電流の値が第１の所定値より大きく第２の所定値より小さくなっていても、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比が所定の範囲外になるおそれがある。

これに対して、本実施形態では、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間に印加される電圧が一定でない場合でも、空気極２Ｃ付近の酸素濃度を第５の所定値より小さく第６の所定値より大きくすることで、空気極（陽極）２Ｃ付近の酸素の分圧比を所定の範囲内に収めることができる。

＜その他＞
上述した実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部材１が設けられた側で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際に燃料電池部２の酸化剤極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部１に伝搬する流路を設ければよい。また、上述した実施形態では、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）が燃料発生部材１に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。

また、上述した実施形態では、燃料発生部材１と燃料電池部２とを別々の容器に収容したが、同一の容器に収容しても構わない。

また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。

また、上述した実施形態では、酸化剤ガスに空気を用いているが、空気以外の酸化剤ガスを用いても構わない。

また、上述した実施形態に係る２次電池型燃料電池システムが、通常充電モードと急速充電モード（通常充電モードよりも外部電源１００から燃料電池部２に供給する電流量を増加させ、燃料発生部材１の還元速度を大きくするモード）とを備える場合、急速充電モードが選択されているときには通常充電モードが選択されているときよりも第１〜第６の所定値の各設定を大きくすればよい。

また、上述した実施形態では、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比に依存する物理量と所定値との大小関係によって、送風機１３の送風量が制御されたが、例えば、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比に依存する物理量と送風機１３の送風量の設定値との関係を示す計算式を用いて、送風機１３の送風量が制御されてもよく、空気極２Ｃ付近の酸素の分圧比に依存する物理量を所定量毎に区分し、各区分と送風機１３の送風量の設定値との関係を示す計算式またはデータテーブルを用いて、送風機１３の送風量が制御されてもよい。

１ 燃料発生部材
２ 燃料電池部
２Ａ 電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 空気極
３、４ ヒーター
５、６ 容器
７、１０、１１ 配管
８ ポンプ
９ 断熱容器
１２ システムコントローラ
１３ 送風機
１４ 電流検出回路
１５ 電圧検出回路
１６ 酸素濃度計
１００ 外部電源
Ａ１、Ａ２ オペアンプ
Ｄ１ 直流電源
Ｒ１〜Ｒ６ 抵抗

Claims (4)

1. 化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
   酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、
   前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを循環させるためのガス流路と、
   前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極で発生する酸素を前記発電・電気分解部から排出するための送風機と、
   前記送風機の送風量を制御する送風機制御部と、を備え、
   前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに、前記送風機制御部が、前記陽極付近の酸素の分圧比に依存する物理量に基づいて、前記陽極付近の酸素の分圧比が所定の範囲内に収まるべく前記送風機の送風量を制御することを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
2. 前記送風機制御部は、
   前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電流の値を検出する電流検出回路を有し、
   前記電流検出回路によって検出された電流の値に基づいて前記送風機の送風量を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。
3. 前記送風機制御部は、
   前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電流の値を検出する電流検出回路と、
   前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に印加される電圧の値を検出する電圧検出回路と、を有し、
   前記電圧検出回路によって検出された電圧の値を前記電流検出回路によって検出された電流の値で除した値に基づいて前記送風機の送風量を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。
4. 前記送風機制御部は、
   前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部の陽極付近の酸素濃度を検出する酸素濃度計を有し、
   前記酸素濃度計によって検出された酸素濃度に基づいて前記送風機の送風量を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。